태양 행성계의 기원 S.S.Hong _ 100401. 태양 행성계의 기원 1. 원시 태양계 성운 고밀 분자 회전 분자운 핵 ; 원시 태양계 성운, PROPLYD 의 밀도 구조 2. 콰이퍼 대 천체와 미생성체 콰이퍼 대 천체의 발견 ; KBO 의 궤도 ; KBO 의 종류.

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1 태양 행성계의 기원 S.S.Hong _ 100401

2 태양 행성계의 기원 1. 원시 태양계 성운 고밀 분자 회전 분자운 핵 ; 원시 태양계 성운, PROPLYD 의 밀도 구조 2. 콰이퍼 대 천체와 미생성체 콰이퍼 대 천체의 발견 ; KBO 의 궤도 ; KBO 의 종류 ; 명왕성, Plutino 의 대표 KBO 의 정체와 미행성체의 존재 3. 티끌에서 미행성체로 4. 미행성에서 원시 행성체로 5. 원시 행성체에서 지구형 고체 행성으로 6. 기체형 거대 행성의 고체 핵 - 기체 대기 모형 중력 불안정, 나선 밀도파의 형성 7. 얼음형 행성의 형성 원반 수명 대 행성 형성 시간 8. 행성체의 궤도 이주 9. 결론 S.S.Hong _ 100401

3 1. 우리는 지난 시간에 여러 가지 관측적 사실과 이론적 추론을 통하여 태양 행 성계도 PROPLYD 의 단계를 거쳤을 것으로 결론을 내렸다. 2. 그렇다면 PROPLYD 의 중심면에 티끌을 많이 갖고 있는 기체 - 티끌 회전 원 반의 상황에서 어떤 현상이 일어날 수 있는지 궁금하다. 그곳에서 행성들이 만들어지기 때문이다. 3. 특히 행성의 이원성이 무엇에서 비롯됐는지 밝혀야 한다. 4. 그리고 기체 - 티끌 원반의 수명이 충분히 길어서 그 동안에 행성들이 만들어 질 수 있었는지도 따져봐야 할 것이다. S.S.Hong _ 100401

4 1. 원시 태양계 성운 S.S.Hong _ 100401

5 A  C ; 10 5 년 1.1 고밀 회전 분자운 핵 질량 M  1~2 M sun ; 회전 각속도   5 x 10 -14 sec -1 ; 반경 R  3 x 10 -17 cm Estimates of energy in order of magnitude : 회전에너지 = (1/2) (2/5) MR 2  2  9 x 10 40 ergs [M/ M sun ] 2 [  / 5x10 -14 s -1 ] 2 중력에너지 = (3/5) GM 2 /R  5 x 10 41 ergs [M/ M sun ] 2 [0.1pc/ R] S.S.Hong _ 100401

6  (r)   o r -1.5 원시 태양계 성운 당시에는 표면밀도의 분포가 연속적이지 않았을까. 그렇다 면 해왕성 궤도 바깥에 뭔가가 아직 남아 있지 않을까, … 1.2 원시 태양계 성운, PROPLYD 의 밀도 구조 S.S.Hong _ 100401

7 Dutch-American planetary scientist. In 1951 he proposed existence of primordial debris beyond Neptune. Gerard Kuiper 1905 –1973 2. 콰이퍼 대 천체와 미행성체 S.S.Hong _ 100401

8 장단 주기 혜성의 출현 빈도 문제 오오트 구름 태양계 평면 태양계 장주기 혜성단주기 혜성 주기 200 년 이상 200 년 이하 궤도전 하늘에 분포황도면에 밀집 이심률매우 큼보통 공급원오오트 구름, 10 12 핵콰이퍼 대, 300 여 개 발견 S.S.Hong _ 100401

9 Jewitt and Luu (1993) 반사 천체의 밝기  r –4 크기 ~ 10 2 km 22 nd 등급보다 어두울 것이다 d  / dt  시간 당 수 초 이동 여러 해에 걸친 CCD 관측의 피나는 노력 끝에 드디어 발견함.  1992 QB1 명왕성은 알고 보니까 콰이퍼 대 천 체들 중에서 가장 큰 것이었다. 2.1 콰이퍼 대 천체의 발견 S.S.Hong _ 100401

10 2.2 KBO 의 궤도 분포 S.S.Hong _ 100401

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12 2.3 KBO 의 종류 S.S.Hong _ 100401

13 versus Eccentricity versus Semi-Major Axis Plutinos classical Kuiper belt objects scattered disk objects long tail of objects with high e and large a; yet q  30 AU, well inside the 50 AU edge. Remnants of the scattering and migration that pushed Neptune out. bodies in circular orbits in 41 ~ 48 AU; They are the ones Kuiper envisioned. Dynamically unperturbed ones in low i dynamically stirred pops in much higher i dyn cold pop= small red bodies dyn hot pop = emigrants from denser region

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15 2.4 명왕성, Plutino 의 대표 S.S.Hong _ 100401

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17 Duncan, M. Quinn, T., Tremaine, S. 1987, ApJ. 328, L69-73. The Origin of Short Period Comets 6x10 9 comets of total mass 0.04M  in dynamically active region 34 ~ 45AU 4x10 10 [~1.1M  ] in 45 ~ 100AU 9x10 10 comets in 100 ~ 500AU 4x10 10 comets in 500 ~1000AU  Pic disk has 10 13 to 10 14 comets. 2.5 KBO 의 정체와 미행성체의 존재 S.S.Hong _ 100401

18 백 km 수준의 대형 KBO 들의 궤도 특성을 조사하여 우리는 태양계의 소형 천체들이 거대 행성들의 중력 작용으로 이주와 산란을 겪는다는 사실을 확인할 수 있었다. Late Heavy Bombardment 동시에 단주기 혜성의 저장고가 바로 Kuiper Belt 라는 사실도 밝혀졌다. 혜성의 핵과 미행성 체가 동일한 성격의 천체이므로, 원시 태양계 성운의 중심 면에는 수없이 많은 미행성 체들이 존재했 을 것이다. 소행성, 혜성의 핵, KBO 들의 일부가 현재까지 남아있는 미행성체이다. S.S.Hong _ 100401

19 미행성의 중력 산란 미행성의 존재 미행성 체들의 충돌 병합 지구형 행성의 형성 중력 산란 장 / 단주기 혜성의 원천 오오트 구름의 정체와 기원

20 3. 티끌에서 미행성체로 3.1 원시 태양계 성운 원반의 표면 밀도 분포 S.S.Hong _ 100401

21 기체 위상에 있던 응결 가능한 원소가 완 전히 광물입자로 응결된 직후의 상황 이때 기체 위상에 남아 있을 수 있었던 원소는 수소와 헬륨 뿐 목성 부근 불연속  물의 결빙 얼음 성분의 입자들이 갑자기 증가했을 뿐 아니라, 눈송이 구조 덕에 티끌의 병 합이 용이했을 것이다. 내행성에 존재하는 물 H 2 O 의 출처  수화물 hydrate minerals  혜성 핵들의 ‘ 폭격 ’ The Late Heavy Bombardment  (r)   o r -1.5 S.S.Hong _ 100401

22 PROPLYD 내부 온도의 중심 거리에 따른 변화 광물의 응결 순서 3.2 얼음의 분수령 S.S.Hong _ 100401

23 얼음의 분수령과 미행성 체의 구성 성분 S.S.Hong _ 100401

24 3.3 충돌 병합에 의한 미행성 체의 성장 S.S.Hong _ 100401

25 티끌 ⇒ 모래 ⇒ 돌멩이 ⇒ 미행성 체 ⇒ 원시 행성의 태아 ⇒ 원시행성 체 행성의 성장 속도 – 원반의 표면 밀도 [column density]  ; 태양 중심 거리  – 부피 밀도  ; 원반 두께  ; 침강 거리  ; 태양중심거리  – 외곽에서 응결, 충돌, 질량 집적에 필요한 이동 거리 및 시간    티끌의 중심면 침전 이후 – 1 AU 10 mm 성장 2,000 년 – 5 AU 15 mm 성장 5,000 년 –30AU 0.3 mm 성장 50,000 년 PROPLYD 에 물질이 남아 있을 수 있는 수명 –PROPLYD 의 수명은 중심별 생성 이후 (1~3) x 10 7 년 이내로 제한됨. – 그러므로 특히 목성형의 경우 성장을 가속시킬 새로운 요인의 발굴이 필요 지구형과 목성형의 형성 기제의 이원성 – 행성 형성의 미행성 결집 모형이 목성형 행성의 형성에는 적용 불가 – 거대 기체 행성의 형성에 기체 물질의 중력 불안정이 크게 작용했을 것이다. 4. 미행성에서 원시 행성체로 S.S.Hong _ 100401

26 미행성의 성장 미행성의 충돌, 병합, 성장의 수치 모의실험 ; 0.99 – 1.01 AU 종축 = 누적 개수 ; 횡축 = 질량 [kg] 주로 10 1 km 규모의 미행성 체들이 수 만년 후에 원시 행성 규모인 10 3 km 로 성장 ; 성장률의 폭주 현상은 중력 초점의 영향 ; 10 2 km 에서 중력의 발동으로 10 3 km 의 원시 행성으로 급 성장 ; 47,000 년 후에는 10 23 kg 에서부터 10 5 범위 안에 전무할 정도. Wetherill, 1989 S.S.Hong _ 100401

27 단위 간격에 들어 있는 미행성체 수는 거리 1/2 에 비례해서 증가함. 내 행성계에서는 한계질량이 10 27 g 규모인 원시행성 체가 소수 형성됨. 5. 원시 행성체에서 지구형 행성으로 S.S.Hong _ 100401

28 원시행성 체들의 한계 질량 중력 초점 현상에 의한 폭주 성장의 결과로 개 중에 비교적 큰 것이 한계 질량에 먼저 도달한 후 더 이상의 성장을 멈춘다. ⇔ 물질의 고갈 태양 가까이는 태양의 막강한 조석력이 작동 하므로 고밀 소형의 천체만 생존할 수 있다. 얼음의 분수령을 경계로 한 한계 질량의 급격 한 변화는 중원소 중에서 비교적 풍부한 C, N, O 를 포함하는 얼음의 응결 때문이다. 해왕성 궤도의 외곽에서 는 한계 질량이 다시 감소한다. ← 면적 밀도의 감소 때문 S.S.Hong _ 100401

29 지구형 행성의 성장 곡선 한계 질량에 이른 원시행성 체들의 충돌 병합에 의한 성장 시간 척도가 10 8 년으로 매 우 길다.  개수 밀도의 현격한 감소 S.S.Hong _ 100401

30 목성형 행성의 성장 5AU 근방에서 폭주 성장의 가능성은 실제 로 ‘ 零 ’ 이다. 3.9 x10 5 년 걸려서 10M  정도의 원시 행성 체로 성장. 암석 - 얼음 성분의 원시 행성의 핵이 중력 작용의 핵으로 작용하여 나선 밀도파의 생성 을 촉발한다. 중력 작용의 핵은 밀도파의 나 선 팔을 통해 가스 물질을 중력적으로 흡인 하여 목성과 같은 거대 기체 행성으로 성장 한다. 토성, 천왕성, 해왕성 지역에서는 한계 질 량의 원시행성 체가 만들어지는 데 2, 10, 30 x 10 6 년의 세월이 필요하다. 이 때가 중심 태양의 활동으로 기체 물질이 원반에서 거의 소진될 즈음이다. S.S.Hong _ 100401 6. 기체형 거대 행성의 고체 핵 - 기체 대기 모형

31 무거운 회전 원반의 동력학적 진화 / 태양계에게는 비합리적인 모형 무거운 고속 회전 원반  고리 구조의 출현 고리의 중력 불안정  나선 밀도파의 생성  거대 기체 행성의 형성 S.S.Hong _ 100401

32 천왕성, 해왕성 & 얼음 위성 7. 얼음형 행성의 형성 S.S.Hong _ 100401

33 8. 행성의 이주 S.S.Hong _ 100401

34 행성의 이주 가능성 카이퍼 벨트와 오오트 구름의 존재가 확인됨으로 해서 태양계의 권역이 해왕성이나 명왕성 지역에서 엄청나게 넓은 공간으로 확장됐다. 태양 이외의 별들에서는 거대 기체 행성들이 중심 거리 0.5AU 근방 또는 그 내부에 서 발견되지만, 그렇게 좁은 지역에서 이 정도 크기의 행성이 성장할 가능성은 없다. 물질의 양이 충분하지 않기 때문이다. 그러므로 이주 migration 가능성을 점친다. 한편 목성 대기에 특정 동위 원소의 불활성 기체와 탄소, 질소, 황 등이 비정상 적으 로 많이 존재한다. 이 사실에서부터 일부 학자들은 목성이 현재의 위치보다 훨씬 더 추운 30AU 근방에서 만들어졌다고 주장한다. 즉 목성도 외부에서 이주하여 현 위치 에 정착했다는 것이다. 이러한 주장이 전적으로 받아들여지는 것은 아니다. 그 경우 생성된 행성의 질량이 목성의 1/10 수준에 불과할 것으로 기대되기 때문이다. 그러나 행성이 자신의 탄생지에서 내부로 이주하는 것은 확실한 것으로 보인다. 문 제는 이주 거리와 이주에 걸리는 시간일 것이다. 이주의 물리적 기작으로 세 가지 모형이 제시됐는데, 태양 행성계에 어떤 모형이 실 제로 적용됐는지는 확실하지 않다. 문제는 이 기작들이 모두 너무 효율적이라는 사 실이다. S.S.Hong _ 100401

35 회전 원반에서의 행성계의 생성은 원반 진화의 당연한 결과로 받아들여진다. 다시 말해서 현대 천문학은 외계 행성계의 존재를 확신한다. 기존의 지구형 + 목성형의 2 원성 모형은 이제 고체 + 기체 + 얼음 행성의 3 원 성 모형으로 보완돼야 마땅하다. 태양 행성계의 구성원들이 보이는 다양성에서부터 우리는 외계 행성체들의 다양성은 이보다 도를 더할 것으로 예상한다. 태양 행성계의 형성 과정의 큰 얼개는 우리 손에 있다고 하더라도, 행성계의 형성과 진화를 근본적으로 이해하려면, 외계 행성계를 우선 발견하고 그 계를 이루는 행성 체들에 관한 관측적 사실이 정립돼야 할 것이다. 즉 행성계의 범 은하적 보편성 여부는 직접 관측으로 확인해야 하는 것이다. 9. 결론 S.S.Hong _ 100401